模块六数字信号的频带传输

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1、数字通信技术及应用数字通信技术及应用模块六 数字信号的频带传输 教学导航 1.知识重点 2.知识难点 3.推荐教学方式 4.建议学时数 5.推荐学习方法 6.必须掌握的理论知识 7.必须掌握的技能 1.知识重点数字调制的目的、概念及分类。 数字频带传输系统组成。 2ASK、2FSK、2PSK信号的调制解调原理、波形 、频谱特点。 二进制数字调制系统的性能比较。 2.知识难点 2ASK、2FSK、2PSK解调原理、频谱分析。 二进制数字调制系统的性能比较。 QPSK、MSK、GMSK、QAM、OFDM几种现 代 调制技术的特点。 3.推荐教学方式 通过介绍调制技术在移动通信系统中的应用案例， 导

2、出数字调制的理论知识，激发学生学习兴趣。 对调制技术进行分析时，可多用图片、采用多媒体 方式教学。 通过实践训练，使学生加深理解数字信号调制解调 的过程。 通过对调制解调器进行案例分析，巩固理论知识， 将理论与实际进行结合。 4.建议学时 ：14学时5.推荐学习方法 学习时要注意对比和前后联系，区分各 种调制技术的特点及应用。 结合波形图、电路框图等来理解各种调 制技术。 理论学习要注意结合给出的案例来理解 。 重视实践训练，通过调制解调过程中关 键信号的测试和分析来加强理解。 6.必须掌握的理论知识 数字调制的目的、概念及分类。 数字频带传输系统组成。 2ASK、2FSK、2PSK信号的调制

3、解调原理 、波形、频谱特点。 二进制数字调制系统的性能比较。 7.必须掌握的技能 会观测2FSK调制系统关键点波形，并分 析。 会观测2PSK调制系统关键点波形，并分 析。 案例导入6 移动通信系统中的调制技术 在现代移动通信系统中，几乎全部都采用了数字调制技术，它 是实现高速，高效的移动通信系统的重要保证。 目前应用于移动通信系统的调制技术主要可分为两大类：线性 调制技术和非线性调制技术（恒包络调制技术）。 线性调制技术主要有：PSK、QPSK、OQPSK、/4-QPSK、 QAM、16QAM、64QAM、256QAM等。 非线性调制技术主要有：MSK、TFM、GMSK。表6-1 各移动通信

4、系统采用的调制方式 技术解读6.1 数字频带传输系统 6.2 二进制幅移键控 6.3 二进制频移键控 6.4 二进制相移键控 6.5 二进制数字调制系统的性能比 较 6.6 现代数字调制技术6.1数字频带传输系统为适应某种需要（如无线信道传输或多路复用等），大部分传输系 统都采用频带传输。数字信号对载波的调制与模拟信号对载波的调 制过程类似，同样可以用数字信号去控制正弦载波的振幅，频率或 相位的变化。典型的频带传输系统有数字微波系统、数字光纤通信 系统。 由图可见，原始数字序列经基带信号形成器变成适合信道传输的基 带信号，然后送到调制器处理，形成数字已调信号，并送至信道。 接收滤波器把叠加有干

5、扰的有用信号提取出来，并经过解调器恢复 出数字基带信号。 图6-1 数字频带传输系统方框图6.2二进制幅移键控 幅移键控是用数字信号控制载波振幅的一种数字调制方式。幅移键 控（Amplitude Shift Keying）简记为ASK，二进制幅移键控常记 作2ASK。 2ASK最简单的形式是利用代表数字信息“0”或“1”的矩形脉冲去键 控一个连续的载波，使载波时断时续地输出。即有载波输出时表示 发送“1”码，无载波输出时表示发送“0”码，这种方法又称通断键控 （OOK）。 6.2.1 2ASK信号的调制 12ASK信号的产生6.2二进制幅移键控 22ASK信号的波形 32ASK信号的功率谱及带

6、宽 6.2二进制幅移键控 6.2.2 2ASK信号的解调 1包络解调法 2相干解调法 6.3二进制频移键控 频移键控（Freguency Shift Keying）是利用载波的频率变化来传 送数字信息，即用数字信息来控制调频波的频率变化。 6.3.1 2FSK信号的调制 12FSK信号的产生 2FSK信号的产生方法有两种，一种是数字键控法，一种是模拟调 制法（直接调频法） 6.3二进制频移键控 22FSK信号的波形32FSK信号的频谱及带宽 （1）2FSK信号的频谱图 （2）2FSK信号的带宽6.3二进制频移键控 6.3.2 2FSK信号的解调 过零检测法包络检测法同步解调法 6.4二进制相移

7、键控相移键控（PSK，Phase Shift Keying）是用数字信号控制载波的 相位，使载波的相位随数字信号的变化而变化的一种数字调制方式 。相移键控可分为绝对相移键控（PSK）和相对相移键控（DPSK ）两种；根据数字基带信号进制的不同又可分为二进制相移键控和 多进制相移键控。 6.4.1绝对码和相对码 绝对码和相对码是相移键控的基础。 绝对码是以基带信号码元的电平直接表示数字信息，如用高电平代 表“1”码，低电平代表“0”码。 相对码（又称差分码）是用基带信号码元的电平相对前一码元的电 平有无变化来表示数字信息的。 绝对码和相对码是可以相互转换的。 6.4二进制相移键控6.4.2二进制

8、绝对相移键控（2PSK） 绝对相移键控是利用载波的相位偏移(指某一码元所对应的已调波 与参考载波的初相差)直接表示数字信号的相移方式。 12PSK信号的产生 2PSK信号的产生可采用相位选择法，其原理框图如图6-16所示。 6.4二进制相移键控22PSK信号的波形 32PSK信号的相干解调 为了克服2PSK存在的相位模糊问题，引入了相对相移键控（ DPSK） 6.4二进制相移键控6.4.3二进制相对移相键控（2DPSK） 相对相移键控是利用前后相邻码元的相对载波相位值来表示数字信 号的相移方式。 12DPSK调制22DPSK信号的波形 6.4二进制相移键控32DPSK解调 （1）相干解调法（又

9、称极性比较法） （2）差分相干解调法（又称相位比较法） 42PSK（2DPSK）信号的功率谱及带宽 2PSK信号的带宽 ：52PSK与2DPSK系统的性能比较 2DPSK系统的抗噪性能不及2PSK系统，2PSK系统存在“相位模糊 ”问题，而2DPSK不存在这一问题。因此，实际应用中，由于 DPSK在抗噪声性能及频带利用率方面比FSK好，故被广泛用于数 字通信中。 6.5二进制数字调制系统的性能比较二进制数字传输系统的误码率与信号的调制及解调方式有关。无论 采用何种方式，其共同点是当输入信噪比增大时，系统的误码率就 降低；反之，误码率就增大。由此可得出以下几点： 在调制方式相同的情况下，相干解调

10、的抗噪声性能优于非相干解 调。但是，随着信噪比r的增大，相干与非相干的误码性能的相对 差别愈不明显，误码率曲线愈靠拢。另外，相干解调的设备比非相 干的要复杂。 相干解调时，在相同误码率的条件下，对信噪比r的要求是： 2PSK比2FSK小3dB，2FSK比2ASK小3dB。在非相干解调时，在 相同误码率的条件下，对信噪比r的要求是：2DPSK比2FSK小3 dB ，2FSK比2ASK小3 dB。 2ASK要严格工作在最佳判决门限电平较困难，其抗振幅衰落的 性能差。2FSK、2PSK、2DPSK最佳判决门限电平为0，容易设置 ，都有很强的抗振幅衰落性能。 6.5二进制数字调制系统的性能比较2FSK

11、的调制指数h通常大于0.9，此时，在相同传码率的条件下 ，2FSK的传输带宽比2PSK、2DPSK、2ASK的宽，即2FSK的频 带利用率低。 6.6现代数字调制技术6.6.1正交振幅调制（QAM） 正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是 一种频带利用率很高的数字调制方式。它是用载波的不同幅度及不 同相位来表示数字信息的。正交振幅调制是用两个独立的基带信号 对两个相互正交的同频载波进行抑制载波的双边带调制，利用这种 已调信号在同一带宽内频谱正交的性质来实现两路并行的数字信息 传输。 6.6.2最小频移键控（MSK） 最小频移键控是对频移键控做某

12、种改进，使其相位始终保持连续变 化的一种调制。 MSK又称快速频移键控（FFSK），“快速”指的是 这种调制方式对于给定的频带能以比2PSK传输更高速的数据；而 最小频移键控中的“最小”指的是这种调制方式能以最小的调制指数 （h=0.5）获得正交的调制信号。MSK调制方式的突出优点是信号 具有恒定的振幅以及信号的功率谱在主瓣之外衰减较快。 6.6现代数字调制技术6.6.3高斯滤波最小频移键控（GMSK） 高斯滤波的MSK就是在MSK调制器之前，用高斯型低通滤波器对 输入数据进行处理，如果恰当地选择此滤波器的带宽，就能使信号 的带外辐射功率小到可以满足移动通信的要求。 由于成型后的高斯脉冲其包络

13、无陡峭沿，亦无拐点，因此相位路径 得以进一步平滑。GMSK信号的频谱特性也优于MSK。 6.6.4 QPSK调制技术 QPSK是英文QuadraturePhaseShiftKeying的缩略语简称，意为 正交相移键控。四相相移键控信号简称“QPSK”。它分为绝对相移 和相对相移两种。四相制相移键控（4PSK）是目前微波和卫星数 字通信中最常用的一种载波传输方式，它具有较高的频谱利用率、 较强的抗干扰性能等优点。 PSK 数字调制技术灵活多样，更适应 于高速数据传输和快速衰落的信道。在2G 向3G 演进的过程中，它 已成为各移动通信系统主要的调制方式。6.6现代数字调制技术6.6.5 OFDM

14、技术 OFDM的英文全称为Orthogonal Frequency Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。OFDM 是一种多载 波数字通信调制技术，属于复用方式。它是由多载波调制（MCM ）技术发展而来，应用已有近40 年的历史。它开始主要用于军用 的无线高频通信系统。这种多载波传输技术在无线数据传输方面的 应用是近十年来的新发展。由于其具有频谱利用率高、抗噪性能好 等特点，适合高速数据传输，已被普遍认为是第四代移动通信系统 最热门的技术之一。 OFDM 的另一个优点在于每个载波所使用的调制方法可以不同。各 个载波能够根据信道状况的不同选择不同的调制方式，比如

15、BPSK 、QPSK、8PSK、16QAM、64QAM 等，实现频谱利用率和误码 率之间的最佳平衡为原则。 模块小结6 1知识体系 2.知识要点 数字信号的传输有基带传输和频带传输两种方式。未经调制而直接进 行传输的方式称为基带传输；包含调制和解调装置的数字信号传输方式 称为频带传输。数字调制与解调是数字通信系统的基本组成部分，数字信号经过模拟 信道传输必须调制。数字调制有振幅键控（ASK）、频移键控（FSK ）和相移键控（PSK）三种基本方式。振幅键控就是用数字基带信号去控制载波的幅度变化。2ASK信号可 由乘法器产生，其解调可采用相干解调和非相干解调两种方法。2ASK 信号的频谱由载频分量及上下边频分量组成，其带宽是数字基带信号带 宽的两倍。振幅键控的优点是设备简单、频带利用率较高，缺点是抗噪 声性能差。频移键控就是利用不同频率的载波来传送数字信号。2FSK信号的产 生有直接调频法和键控法，解调有相干解调和非相干解调以及过零点检 测法等。2FSK信号频带较宽，频带利用率比2ASK信号低，一般用于 低速数据传输系统。频移键控的优点是抗干扰能力强，缺点是占用频带 较宽。 2.知识要点 相移键控就是用同一个载波的不同相位来传送数字信号，分为绝对相 移和相对相移两种。2PSK信号频谱中没有载频分量，带宽与2ASK相 同，为数字基带信号带宽的两倍，其解调只能用相干解调